Numerical simulation of degradation in concrete at high temperatures
Final Report Abstract
Unglücksfälle in Tunnelbauten sind bei Brandeinwirkung mit erheblichen Personen- sowie hohen Sach- und Folgeschäden verbunden. Die Tunnelbrände vergangener Jahre im In- und Ausland verdeutlichen das Gefahrenpotential und die Notwendigkeit einer Risikobewertung verschiedener Brandszenarien. Theoretisch-numerische Prognosemodelle zur Untersuchung und Optimierung des Brandwiderstandes von Betontunnelauskleidungen sowie von Betonbauteilen des Hochbaus sind für die Sicherheitsanalyse von großem Nutzen. Die hohen Temperaturen im Brandfall bewirken ein schnelles Aufheizen ober?ächennaher Bauteilbereiche. Als Folge verdampft das kapillare und adsorbierte Wasser, so dass der Porendruck stark ansteigt. Zusätzlich bewirken die hohen Temperaturen die chemische Zersetzung des Zementsteins, die außerdem mit der Freisetzung von Wasserdampf verbunden ist. Der hohe Porendruck und die Zersetzung des Zementsteins bewirken eine starke Schädigung des Betons und der Betonbauteile, meist in Form von Abplatzungen. Grundlage des theoretischen Modells zur Beschreibung der Transportprozesse sowie des mechanischen Verhaltens sind die mit Hilfe der Theorie der porösen Medien aufgestellten Erhaltungsgleichungen der Masse, des Impulses und der Energie. Die Massenerhaltungsgleichung wird für Wasserdampf, Wasser und trockene Porenluft aufgestellt. Die Berücksichtigung der Energieerhaltung ermöglicht die Berechnung des zeitlich und räumlich veränderlichen Temperaturfeldes, welches die Transport- und Dehydratationsprozesse wesentlich beein?usst. Die Materialgleichungen beschreiben die Wirkungsweise der unabhängigen Variablen in den Erhaltungsgleichungen. Der Dehydratationsgrad ist eine Funktion der Temperatur mit Vernachlässigung zeitveränderlicher Effekte. Die Permeabilität für die Beschreibung der Transportprozesse in den Erhaltungsgleichungen hängt von der Temperatur, dem Dehydratationsgrad und der mechanischen Schädigung ab, die Wasserspeicherung in den Porenräumen dagegen nur von der Temperatur. Die Beschreibung der Schädigung erfolgt im Rahmen der Kontinuumsschädigungsmechanik. Die Erhaltungsgleichungen liegen als stark gekoppeltes, nichtlineares Differentialgleichungssystem in Raum und Zeit vor und werden simultan gelöst. Die Ergebnisse der numerischen Simulation geben die wesentlichen, in Experimenten beobachteten Phänomene wieder. Nahe der erhitzten Ober?äche entsteht eine Porengas-Druckzone, die sich im Verlauf der Brandbeanspruchung in Richtung des Bauteilinneren bewegt. Innerhalb der Druckzone dominiert der Wasserdampf das Gasgemisch, in den anderen Bereichen des Bauteils besteht das Porengas vorwiegend aus trockener Luft. Das Modell für hochtemperaturbeanspruchten Beton beschreibt die Entwicklung des Dehydrationsgrades und der damit verbundenen chemischen Schädigung der Zementmatrix. Wie die numerischen Ergebnisse zeigen, nimmt in oberflächennahen Bereichen die chemische Schädigung infolge der Dehydratation besonders stark zu. Neben den thermischen Verzerrungen und der Dehydratation des Zementsteins, verursacht hauptsächlich der ansteigende Wasserdampfdruck die Schädigung des Betons. Mit dem vorliegenden Modell ist es möglich, die Phänomenologie der Reaktions- und Transportprozesse sowie des mechanischen Verhaltens hochtemperaturbeanspruchten Betons abzubilden. Mit dem Gesamtmodell kann die Standfestigkeit von Betonbauteilen bei Brandbeanspruchung beurteilt werden.
Publications
- Modellierung und numerische Simulation der Betondegradation bei Brandeinwirkung, Baustatik – Baupraxis 10, TU Karlsruhe, 2008
D. Dinkler, L. Ostermann
- Transport Processes and Mechanical Behaviour of Concrete in Tunnels subjected to High Temperatures, EURO:TUN 2009, 2nd International Conference on Computational Methods in Tunneling, Aedificatio Publishers, 2009
L. Ostermann, D. Dinkler
